蜘蛛侠的丝被中国科学家造出来了
发布时间:2019-12-05
出品:科普中国
制作:刘遵峰研究员 (南开大学)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  很多人对蜘蛛丝的厉害最直观的了解来源于蜘蛛侠。牵引将要倾倒的大厦,拉住快速奔驰的火车等。因为其具有超强韧性,蜘蛛丝引起了科学家的注意,纷纷想研制出强韧如蜘蛛丝般的材料。 

  在《自然通信》杂志最新的一篇文章中,南开大学的刘遵峰教授领导的一个研究团队用一种非常简单的方法,成功的使用水凝胶纤维制备出了人造蜘蛛丝,达到与天然蜘蛛丝几乎相当的力学性能 

   

    

  一挥就断,蜘蛛丝凭什么是最坚固材料? 

  现实生活中,蜘蛛丝之所以一挥就断,最本质的原因是,太细。蜘蛛丝其实具有极为特征的机械性能。 

  极高的抗拉强度。抗拉强度是指材料在拉伸条件下的最大承载能力。蜘蛛丝的抗拉强度(高达1.4 GPa),与高等级合金钢相当(0.45-2 GPa),甚至可以达到芳纶纤维,如凯夫拉纤维的一半(3 GPa)。但是金属丝或凯夫拉纤维几乎不可伸长,而蜘蛛丝可伸长自然状态下本身长度的40%,在高湿的环境下可伸长本身长度的5倍。         

  蜘蛛丝伸长后几乎不反弹。这使得蜘蛛丝在拉伸过程中能够吸收大量的能量,其韧性(表示材料在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力)平均为350 MJ/m3,即每立方米吸收的能量达到350兆焦耳,比钢或芳纶纤维高出几个数量级。而韧性越好,则发生脆性断裂的可能性越小。除了没有反弹外,你几乎看不到蜘蛛悬空的时候在那里转个不停,这意味着蜘蛛丝还可以吸收扭转旋转能量。最后,蜘蛛丝在被拉长后,遇到湿气或遇水时,会恢复到初始长度。这使它被来袭的猎物撞击拉长后,可以自动修复并重新使用。     

左边是水凝胶纤维,右边是棉线。棉线悬停后会不断转圈,而水凝胶纤维则不会。 

             

  如何使用人工方法制备蜘蛛丝? 

  人们已经尝试用蚕丝蛋白来制作人工蜘蛛丝,并取得了一定的成功,例如,科学家曾尝试使用蛛丝蛋白直接纺丝制备人造蜘蛛丝。但由于蜘蛛有同类相食的特性,不能够像蚕一样容易大规模饲养,使用其他方法获得蛛丝蛋白也很难规模化放大。而使用合成方法,制备能模仿蜘蛛丝的上述特性,仍然是一个难题。 

  南开大学刘遵峰课题组在研究聚丙烯酸水凝胶纤维的过程中,发现这种纤维拉长后不易回弹,而且这种纤维的力学性质很强,很容易达到上百兆帕。而这种性能正是类似于蜘蛛丝的性能。因此,团队对水凝胶纤维进行了更加详细的研究,研获了超强韧人造蜘蛛丝。 

  水凝胶纤维由聚丙烯酸制成。聚丙烯酸具有核-鞘结构,通过掺杂二价离子、并加捻获得一定的捻度极大的增加了其强度。该纤维的拉伸强度可达0.89 GPa、拉伸长度可达到自然状态下本身长度的44.3%,模量(在胡克定律适用的范围内,单轴应力和单轴形变之间的比)高达28.7 GPa、韧性达到370MJ m-3,阻尼效率(即在负载过程中,损耗的能量在总能量的比值)达到95% 

    

  人造蜘蛛丝制成的绳索应用潜力很大 

  实验中,研究人员使用“人造蜘蛛丝”制成的“球拍”,在金属重物下坠时,起到了很好的缓冲效果。同时,在湿度增加的条件下,缓慢恢复到原来的形状。 

    

  另一个捕获鸡蛋的实验中,让鸡蛋以一定的速度下落,观察不同材料网捕获结果。水凝胶纤维网塑性变形,鸡蛋被安全捕获,没有破裂。 

  棉线网因冲击力太大,鸡蛋被弄破。 

  橡皮筋网弹性太强,鸡蛋被从网里弹了出去。 

  人造蜘蛛丝水凝胶纤维较好的减震效果可以用作火灾逃生或是其他高空坠落的缓冲工具。它的强度很高,因此不容易断裂。同时它又具有比较好的拉伸效果,可以增加承受重量的时间,使整个下落过程中的冲力比较小。因此,人造蜘蛛丝制成的绳索实现缓降自救。这根特殊的绳索可以承受人体重量,缓慢拉伸且不会像橡皮筋一样会弹。这就大大降低了人体或物体下降的速度,从而起到缓冲作用。 

    

  水凝胶纤维人造蜘蛛丝是否可以实现批量生产? 

  水凝胶纤维是用化学合成方法,制备出水凝胶的溶液,然后使用直接纺丝的方法,纺出丝来。这种方法很容易实现量产化,成本也比较低。 

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